015迁钢2号高炉工艺优化与技术创新.doc

迁钢2号高炉工艺优化与技术创新毛庆武 张福明 姚 轼 钱世崇 倪 苹(北京首钢设计院，北京 100043)摘 要 迁钢1号高炉(2650m3)于2004年10月8日建成投产，迁钢2号高炉(2650m3)于200 7年1月4日建成投产，实现了首钢搬迁转移400万吨钢生产能力的总体目标。迁钢2号高炉继承了迁钢1号高炉的设计优点，并在迁钢1号高炉新技术应用的基础上，对工艺技术与装备技术进一步优化与创新，使之更高效、节能和环保，并且更符合钢铁产业政策的发展方向。关键词 高炉 技术优化 创新1 概况为了落实北京城市总体规划，适应北京作为全国政治中心、文化中心的城市定位，满足举办2008年奥运会对环境的要求，实现首都北京的“新北京、新奥运”的目标，实现首钢战略性结构调整，加快产品升级换代，首钢搬迁转移400万t钢生产能力，在河北省迁安市建设首钢新的钢铁基地。首钢迁钢炼铁工程分成两期建成，一期工程建设一座2650m3高炉(1号高炉)，二期工程再建一座2650m3高炉(2号高炉)，最终形成一、二期年产生合计445万吨生产规模。首钢迁钢1号高炉2004年10月8日建成投产，迁钢2号高炉于2007年1月4日建成投产，实现了首钢搬迁转移400万吨钢生产能力的总体目标。2设计指导思迁钢项目的建设，不是简单的生产能力转移，也不是搬迁首钢现有的生产设施，而是坚持高起点，根据国内外现代化钢铁厂的技术发展趋势，按照冶金流程工程学的原理，遵循循环经济的设计理念，采用优化的工艺流程、合理的生产布局，以自主创新、集成优化为重点，积极研究开发、集成应用国内外先进工艺技术，提高整体技术装备水平，加快实现首钢工艺升级、产品换化。 高炉设计中以“长寿、高效、低耗、清洁”作为设计思想和指导方针，研究开发并集成应用了数十项国内外先进技术、装备和工艺，高炉整体技术装备水平和技术经济指标得到全面提高。迁钢2号高炉继承了迁钢1号高炉的设计优点，并在迁钢1号高炉新技术应用的基础上，对工艺技术与装备技术进一步优化，使之更高效、节能和环保，并且更符合钢铁产业政策的发展方向。3主要设计指标 高炉有效容积2650m3，年平利用系数2365t(m3d)，燃料比495 kgt，焦比305 kgt，煤比190 kgt，燃料比495 kgt，综合人炉矿品位59，熟料率85，热风温度1250，炉顶压力02025 MPa，高炉寿命一代炉龄无中修达到15年以上。4迁钢2号高炉工艺优化与技术创新 迁钢2号高炉上料系统采用无集中称量站直接上料新工艺，设置焦丁回收系统；采用首钢自主开发研制的水冷并罐式无料钟炉顶设备；研究开发一系列高炉长寿高效综合技术，高炉设计寿命15年以上，采用软水密闭循环冷却系统，炉腹、炉腰及炉身下部采用新型高效国产铜冷却壁，高炉炉缸炉底采用新型高导热炭砖陶瓷垫综合炉底结构，炉缸内衬关键部位采用美国UCAR公司的热压炭砖和法国SAVOIE公司的大型风口组合砖；采用首钢自行设计研制的矮式液压泥炮及全液压开口机；为提高热风温度，以我为主、集成创新高风温技术，采用自主创新的2座新型顶燃热风炉作为助燃空气高温预热炉，在全烧高炉煤气的条件下，使风温达到1250以上1；高炉喷煤采用中速磨制粉、并列罐及总管一分配器长距离直接喷煤工艺；自主创新采用改进型螺旋法渣处理工艺及长寿渣沟；高炉煤气清洗采用低压脉冲布袋干法除尘工艺，并配置压差发电装置；采用节水节能技术，自主创新高炉循环工业水软水综合冷却系统，成功开发循环工业水串接作为软水密闭循环系统板式换热器的冷媒水新工艺；采用国产电动大型静叶可调轴流鼓风机；为提高高炉自动化控制水平，实现高效化生产，设计完善的高炉温度、压力、流量的检测，并具备人工智能专家冶炼系统接口；为实现清洁化生产，降低环境污染，优化了高炉上料、炉前除尘系统设计。41高炉无集中称量站直接上料工艺 精料是高炉生产的基础，高炉原燃料的供应、储存、处理和运输是高炉炼铁工艺的重要环节，对于实现高炉精料具有重要的作用。本项目对高炉料仓设置方式和上料工艺进行了优化创新，采用无集中称量站直接上料新工艺。高炉料仓呈一线形单列布置，矿石、焦炭料仓集成为一体，采用抛物线料仓。各种物料经仓下分散筛分、分散称量后通过主胶带直接运送到高炉。这种上料工艺布置灵活紧凑，物流短捷顺畅，赶料能力大，操作方便，设备备用能力强，提高了上料系统工作的可靠性，减少了物料集中称量环节，减少了物料的转运和重复计量，降低了物料二次破碎，减少人炉粉末，提高精料水平，降低了环境污染。 上料主胶带机带宽B1600mm，带速v20 ms，称量后的所有物料均通过N22及N21主胶带机送往炉顶装料设备。烧结矿、焦炭采用24台高效振动筛，强化仓下炉料的筛分，提高处理能力和筛分效率，使5 mm的人炉烧结矿控制在5以内。设置了焦丁回收装置，回收1025 mm的焦丁，与矿石混装人炉，这样，既改善了料柱的通透性，提高了煤气利用率，又达到增产、节焦、降低成本、节约能源的作用。42设计研制国产大型高炉无料钟炉顶设备 本项目中采用了首钢自主设计研制的国产第四代并罐无钟炉顶装料设备，料罐有效容积55m3 x2，上、下密阀规格为DN 1100，溜槽工作角度550，中心喉管直径700。采用了水冷布料溜槽传动齿轮箱及开路工业新水冷却系统，研究开发了新的水冷结构，将间接冷却方式改为直接冷却方式，同时将冷却范围扩大，提高了冷却效率。冷却水量可以提高到25 th以上且不会出现冷却水溢出现象，由于冷却效率提高，实际生产使用时冷却水量仅需8th。同时，氮气消耗明显减少，氮气用量降低至500m3h，高炉煤气品质有了提高；而且改进后的气密箱对炉况异常造成的炉顶温度过高的。情况有很强的适应能力，实践证明，高炉的气密箱在炉顶温度短时达到800的极端情况下仍能正常工作。 布料流槽的悬挂装置采用了新型的锁紧装置，彻底杜绝了流槽脱落的发生，避免了因流槽脱落而发生的高炉休风的现象，提高了高炉作业率。改进了布料溜槽及换向流槽的结构及其衬板材质，布料溜槽的使用寿命由过去的12个月提高到了20个月，换向溜槽的使用寿命由过去的3个月提高到了24个月，减少了布料溜槽及换向流槽的更换次数，提高了高炉作业率。设置料流调节阀，在自动控制下实现环行(多环)和螺旋布料的功能，在控制室人工控制下完成环形、点状和扇形布料。43 高炉长寿高效综合技术 本项目设计中，总结分析了国内外大型高炉长寿经验，遵循高效、长寿并举的原则，高炉一代炉役设计寿命1520年，一代炉役平均利用系数大于23 t(m3d)，一代炉役单位有效容积产铁量达到11000一15000 tm3。 高炉高效长寿设计的关键是高炉内型、内衬结构、冷却体系、自动化检测的有机结合。生产实践表明，目前高炉炉缸、炉底和炉腹、炉腰、炉身下部是高炉长寿的两个限制性环节，在设计中攻克这两个部位的短寿难题，将为高炉长寿奠定坚实的基础。迁钢1号高炉炉体设计研究紧密围绕上述几个方面，通过炉型设计优化，选择合理矮胖炉型；为高炉生产稳定顺行、高效长寿创造有利条件；通过炉缸炉底的侵蚀机理分析研究和计算机数值模拟计算，炉缸炉底部位采用“优质高导热炭砖一一陶瓷垫”新型综合炉底内衬结构；通过对炉体传热学计算分析和对铜冷却壁的温度场、应力场数值模拟分析研究，炉腹至炉身区域采用软水密闭循环冷却技术、铜冷却壁技术、优质耐火材料薄壁炉衬技术，并实现了合理配置；有针对性地设计炉体自动化检测系统，加强砖衬侵蚀与冷却系统的检测监控。通过这些现代高炉长寿技术的综合应用，完全可以满足高炉寿命达到15年以上的要求2。 (1)高炉内型 在总结国内外同类容积高炉内型尺寸的基础上，根据迁安矿山地区的原燃料条件和操作条件，以适应高炉强化生产的要求，设计合理的矮胖炉型。设计中对高炉炉型进行了优化，加深死铁层深度，是抑制炉缸“象脚状”异常侵蚀的有效措施。死铁层加深以后，避免了死料柱直接沉降在炉底上，加大了死料柱与炉底之间的铁流通道，提高了炉缸透液性，减轻了铁水环流，延长了炉缸炉底寿命，死铁层深度一般为炉缸直径的1720；适当加高炉缸高度，不仅有利于煤粉在风口前的燃烧，而且还可以增加炉缸容积，以满足高效化生产条件下的渣铁存储，减少在强化冶炼条件下出现的炉缸“憋风”的可能性，高炉炉缸容积约为有效容积的1618；适当加深铁口深度，对于抑制铁口区周围炉缸内衬的侵蚀具有显著作用，可以减轻出铁时在铁口区附近形成的铁水涡流，延长铁口区炉缸内衬的寿命，铁口深度一般为炉缸半径的4 5左右；降低了炉腹角、炉身角和高径比，使炉腹煤气顺畅上升，改善料柱透气性，稳定炉料和煤气流的合理分布，抑制高温煤气流对炉腹至炉身下部的热冲击，减轻炉料对内衬和冷却器的机械磨损。 (2)根据首钢多年的设计和生产实践，迁钢2号高炉炉缸炉底采用新型高导热炭砖陶瓷垫综合炉底内衬结构。炉缸、炉底交界处即“象脚状”异常侵蚀区，部分引进国内目前尚不能生产的优质耐火材料，如美国UCAR公司的高导热、抗铁水渗透性优异的小块热压炭块NMA、NMD；风口采用法国SOVIE的大块风口组合砖。炉底满铺2层国产高导热大块炭砖+2层国产优质微孔大块炭砖；炉底采用3层国产陶瓷垫塑性相刚玉莫来石质陶瓷垫；炉缸壁上部风口组合砖下部为1层环形炭砖，采用国产优质微孔大块炭砖。炉底采用软水冷却。 (3)高炉炉腹以上冷却壁采用软水密闭循环冷却系统，以延长冷却器的使用寿命。软水采用“水水冷却板式换热器”进行冷却，冷媒水为炉缸循环工业水的回水。同目前广泛采用的软水空冷器技术相比，软水供水温度降低了10，大幅度提高了软水的冷却能力。为了实现软水密闭循环供水温度45，设计采用水水冷却板式换热器冷却方式，利用高炉炉缸的循环工业水冷却温升不高的特点，自主集成创新，将高炉循环工业水回水在上塔冷却之前，串级作为软水密闭循环冷却系统板式换热器的冷媒水。通过对循环工业水上塔泵扬程及冷却塔进水温度的适当调整，不但保证了软水密闭循环系统供水及冷媒水系统水量及供水温度要求，而且节省了一套冷媒净环水系统，充分节约水资源，做到了“一水多用，串级冷却”。自主集成创新的高炉循环工业水软水综合冷却系统，将循环工业水串接作为软水密闭循环系统板式换热器的冷媒水新工艺，在国内外高炉上尚属首次应用。其工艺流程安全可靠、技术先进合理、维护管理简便、运行费用低、占地面积少、建设投资省，其技术经济指标与传统冷却工艺相比最优，符合节水、节能、环保的要求，降低了水资源消耗，取得了良好的生产效果。 (4)在炉腹、炉腰、炉身下部采用3段铜冷却壁，材质为TU2轧制铜板，冷却通道采用复合扁孔，钻孔成型，铜冷却壁厚度125mm，铜冷却壁沟槽内镶填SiC捣料，提高了冷却效率，这是我国自主开发的新一代“元过热”长寿铜冷却壁。 (5)在炉身中上部采用高效单排管冷却壁，冷却壁本体厚度250mm，材质为球墨铸铁QT40020。冷却壁沟槽内镶填SiC捣料，以提高冷却壁的挂渣性能。 (6)在炉身上部至炉喉钢砖下沿，增加1段“C”型球墨铸铁水冷壁，水冷壁直接与炉料接触，取消了耐火材料内衬。 (7)炉腹、炉腰、炉身下部区域采用Si3N4SiC砖和高密度粘土砖组合砌筑，砖衬总厚度400mm；炉身中上部采用高密度粘土砖。 (8)采用最新开发设计的送风装置，以适应1250高风温的要求。加强了送风组件的密封，对送风支管结构进行了改进和优化。 (9)采用新型十字测温装置，在线监测炉内煤气流的分布和温度变化，配合多环布料技术，使高炉操作稳定顺行，提高煤气利用率，延长高炉寿命。炉体系统设计完善的高炉温度、压力、流量的检测，以加强高炉各系统的监视，为操作人员提供准确可靠的参数和信息，并具备人工智能专家冶炼系统接口及界面。4 4优化圆形出铁场设计，提高炉前机械化水平 (1)采用圆形出铁场，其最大外径为779 m，出铁场内4根炉体框架柱呈正方形布置，其间距为20m20m。框架柱间分别布置3个铁口，不设渣口，铁口标高为102m，渣铁沟内衬采用浇注料，主沟采用贮铁式结构。圆形出铁场外环上方设置标高为128 m的环行车道；环行车道在未设铁口的区域设连通平台与风口平台相接。环行车道为钢筋混凝土板加钢支柱结构。公路引桥与环行车道连通，汽车可以直接开到风口平台及高炉主控室，方便了炉前的物料运输。 (2)采用自主设计研制的环行吊车。出铁场内设2台30t5t环行起重机，LK206m，轨面标局为2195 m，环行吊车可在出铁场360？范围内工作，满足出铁场内的日常生产操作及检修。环行吊车为首钢自主设计研制的专利设备，全部实现国产化。 (3)采用首钢自行开发研制的矮式液压泥炮，采用新型炮嘴组合机构，进一步提高炮嘴寿命。 (4)采用首钢自行开发研制的新一代多功能全液压开口机。45热风炉高温预热及高风温技术 在迁钢二期工程中，由于品种钢的开发及轧钢规模的形成，根据厂区煤气平衡，高热值的煤气(焦炉煤气和转炉煤气)主要用于轧钢厂，而且存在高热值的煤气供应紧张的情况，迁钢2号高炉的热风炉已不具备使用富化煤气的条件。而且随着高炉的装备水平及操作水平的日益提高，高炉原料条件的进一步改善，高炉煤气利用率的提高，高炉煤气发热值会越来越低。因此，热风炉系统必须通过采用高温预热炉预热助燃空气技术，充分了利用低热值、低成本的高炉煤气和采用热风炉烟气余热预热高炉煤气技术，在全烧高炉煤气的条件下使热风温度达到1250以上，从而达到高效、节能、降低焦比的目的。 本次热风炉系统采用3座达涅利一康立斯(DCE)公司的改进型高风温内燃式热风炉，助燃空气高温预热系统配置的2座高温预热炉，采用首钢自主研发的高温预热工艺，预热炉采用首钢自主研发的新型顶燃式热风炉，并配备一座混风炉，对内燃式热风炉的助燃空气进行混风调节，使预热温度达到520600。同时，利用热风炉烟气余热，通过分离式热管换热器对热风炉用高炉煤气进行预热。预热后，高炉煤气温度可达180。分离式热管换热器的烟气、煤气2个箱体分散布置，通过外联管传输水媒质换热介质。 新建3座达涅利康立斯(DCE)公司的改进型高风温内燃式热风炉呈一列式布置。内燃式热风炉及高温预热炉的主要技术参数见表1设计开发了7孔高效格子砖，以提高热风炉换热效率，格子砖直径为30 mm、加热面积为4708 m2 m3。同时，为满足出铁场环行吊车的360作业，跨出铁场的热风总管采用“型”结构，采用了2组恒力吊架，而且对热风总管的“型”管路的砌筑结构进行改进，水平管路与垂直管路交接的孔口处采用各自独立的砌砖层，使两者之间的膨胀不互相干扰，解决了因孔口砖层膨胀造成的窜风现象，满足了送风温度高于1250的使用要求。混风器的进风小支管由8个改为4个，加厚了小支管的耐火材料内衬，并将耐火衬由单一烧注料改成轻质夸加红柱注料结构，提高了耐火衬的保温效果，也提高了混风器的工作可靠性。46 中速磨制粉、并列罐及总管一分配器长距离直接喷煤工艺 迁钢2号高炉采用中速磨制粉、并列罐及总管一分配器长距离直接喷煤工艺，喷吹系统引进达涅利一一康力斯公司的并罐喷吹技术。 喷吹系统设有2个并列布置的喷吹罐，采用单管路喷吹总管、混和器、分配器、喷吹支管和喷枪的工艺。工艺流程紧凑，制粉、喷煤建在同一场地。喷吹罐并联布置在煤粉仓下，各罐轮流交替向高炉喷煤，自动化控制水平较高，喷煤量完全由PLC控制和调节，实现系统自动喷吹。通过计算机模拟实现喷吹支管布置等长度、等阻力损失设计，只使用一个置于炉顶平台的分配器，保证向每个风口均匀和自动喷吹煤粉，煤粉在各风口的分配精度高，分配误差约4。采用风口防堵探测器，自动监测、控制和调节每个风口的煤粉喷吹情况，如果风口探测器发现风口有煤粉堆积，则该风口喷煤枪自动停喷。待风口的燃烧条件改善后，该喷枪可自动恢复喷煤。在一个和若干个喷枪临时停止喷煤时，其它喷枪可以通过煤粉分配器自动均匀分配煤粉，以简单可靠的系统，实现均匀喷吹，而不需要任何调节阀和单独的软件来调节煤粉的分配。 并罐喷吹系统的防火、防爆、流化、充压均使用氮气，充分保证系统运行安全，喷吹气源为无油无水压缩空气。47 改进型螺旋法水渣处理工艺 螺旋法水渣工艺为机械脱水工艺的一种方法。由于螺旋法水渣工艺关键设备只有一台螺旋机，所以其维护检修较为方便，需要检修较多的是两个轴承，设计时考虑了方便的检修措施。设计中采用了在水渣贮水池上加设小平流池的工艺。平流池是由三段依次升高的隔墙组成，利用平流池的特殊结构，可减缓冲渣水的流速，充分沉淀冲渣水中的细渣，能够对细渣含量低于50mgl的水质进行二次过滤，同时在平流池上配套安装一台3 t抓斗吊车，及时将沉淀在平流池内的细渣抓出。通过这个小平流池的预沉降作用，有效去除部分细渣，降低了冲渣水中的细渣含量，减轻其对管道的磨损和冲渣喷嘴的堵塞现象，同时降低了贮水池中沉淀物的堆积速度，延长了贮水池的使用周期，为系统正常运转创造了必要的条件。采用了在水渣贮水池上加设小平流池的工艺，设置抓渣吊车，将沉淀下来的细渣进行清除，降低了冲渣水中的细渣含量，减轻其对管道的磨损和冲渣喷嘴的堵塞现象，同时降低了贮水池中沉淀物的堆积速度，为系统正常运转创造了必要的条件。螺旋法水渣工艺较传统的渣池节省占地面积，能耗低，运行费用低；工艺流程简单，布置较灵活。为了提高水渣沟衬板的使用寿命，减少检修维护量，在设计中采用新型的复合衬板代替普通的耐磨铸铁衬板。新型复合衬板是在普通Q235A钢板的表面采用等离子喷焊工艺喷焊Ni60WC工作层，钢板厚度为25mm，耐磨层厚度为8mm。新型复合衬板硬度极高(硬度可以达到HRC7080)，使用寿命可以达到36个月，是普通耐磨铸铁衬板使用寿命的3倍以上。48 高炉煤气干法除尘技术 迁钢2号高炉高炉煤气清洗采用低压脉冲布袋干法除尘工艺，2007年1月4日投产，是当时国内投产使用高炉煤气干法除尘的最大高炉。迁钢2号高炉干法除尘根据现有情况进行了改进与提高，采用了多项新技术，推动了高炉煤气干法除尘技术新的发展。(1)迁钢2号高炉干法除尘系统主要技术参数见表2。 (2)合理的工艺流程和配置 此次采用了4600 mm直径的箱体14个，双排布置。过滤面积考虑了正常生产和紧急事故下的应急措施；确保安全生产而又不过分备用。 (3)设前置大容量热管换热器 在干法除尘之前设热管换热器。使用达到预期效果，成了煤气降温的可靠手段。比起现有的管式换热器传热效率高，降温效果好，体积小，占地少。 (4)气力输灰浓相输送技术试验 气力输灰输送距离长，运输量大，密闭性好。首秦高炉采用后运行良好。此次在迁钢高炉进一步改进采用浓相输送技术，将减少能源消耗、减少输灰管的磨损，将气力输灰提高到一个新水平。 (5)增设稳压气源 为了保证除尘器工作可靠性，降低气源事故带来的停产风险和减少氮气消耗，降低成本，设计了净煤气加压装置，将净煤气加压作为脉冲气源和输灰气源使用，提高了生产的可靠性。 (6)新规格滤袋试用 传统滤袋尺寸较小，迁钢2号高炉加大了滤袋直径，